[특허로 본 유망 미래기술⑬] 네트워킹 제공하는 기술 ‘통신 칩(Chip)’

특허뉴스 이성용 기자 | 기사입력 2019/07/25 [12:33]

[특허로 본 유망 미래기술⑬] 네트워킹 제공하는 기술 ‘통신 칩(Chip)’

특허뉴스 이성용 기자 | 입력 : 2019/07/25 [12:33]
▲ 통신칩 구조도(예시)     © 특허뉴스

 

통신칩은 네트워킹을 위한 TCP/IP stack을 모두 하드웨어로 처리한 칩으로 네트워킹 기능을 별도의 칩으로 분리해 처리함으로써 안정적이고 빠른 네트워킹을 제공하는 기술이다. 통신칩 시장 및 특허 동향을 분석해본다. <편집자>

 

통신칩은?

 

통신칩은 기존 소프트웨어 TCP/IP 스택 부분이 Standalone 형태의 하드웨어 칩으로 구현된 솔루션으로 Chip-by-Chip 형태의 구성으로 손쉽게 인터넷 통신 기능을 구현한 Fully hardwired TCP/IP stackOne Chip화한 제품이다. 별도의 추가적인 메모리 리소스를 필요로 하지 않으며 호스트 프로세서의 TCP/IP 처리를 Offload 시켜줌으로써 소프트웨어 TCP/IP 솔루션 대비 높은 네트워크 성능과 시스템 안정성을 보장한다.

 

TCP/IP에 대한 개발이 상대적으로 용이하며, 플랫폼 변경 시에도 Migration이 수월해진다. 또한 네트워크 부분(TCP/IP, Ethernet MAC, Ethernet PHY)을 모두 하드웨어로 구현할 수 있어 회로 구성 시 네트워크 분리가 가능하므로 개발 시 가장 많은 시간이 소요되는 디버깅 타임을 최소화할 수 있는 장점을 제공한다. 임베디드 시스템과 같이 제한된 리소스 환경에서나 멀티미디어 서비스 같은 다량의 데이터를 고속으로 처리가 필요한 환경에서도 유용한 기술이다.

 

TCP/IP 프로토콜은 데이터 전송에 사용되는 표준으로 LAN이나 WAN에 광범위하게 사용되고 있다. IP레이어는 송수신 IP주소를 포함하고 있으며 비연결성 특징을 가지고 있다. TCP 레이어에서는 데이터 스트림 서비스를 위해 신뢰성 있고 연결 지향적인 서비스를 제공한다.

 

일반적으로 인터넷 프로토콜로 사용되는 FTP, HTTP 등은 모두 TCP를 이용하고 있다. TCP 계층에서는 체크섬(checksum)을 통해 패킷의 헤더뿐 아니라 패킷 데이터까지 전송 시 발생하는 오류를 검사하고 있다. 초기 연결 시 설정되는 MSS(Maximum Segment Size)를 기준으로 패킷의 분할, 조립 기능을 수행한다. 또한 시퀀스 번호(Sequence number)를 통해 순서대로 도착하지 않은 데이터들에 대한 정렬 기능을 제공한다.

 

슬라이딩 윈도(sliding window) 기법을 통해 수신부의 버퍼 상태를 파악해 송신부에서는 흐름 제어(flow control)를 수행하며 반대로 송신부에서는 나타내는 슬라이딩 윈도를 통해 혼잡 제어(congestion control)을 수행한다. 또한 TCP는 포트 제어를 통해서 여러 가지 어플리케이션의 데이터를 다중화해 송수신을 담당한다.

 

통신칩 특허기술 동향

 

통신 기술의 발전에 따라 다양한 무선 통신 인터페이스가 표준화되고 표준화된 통신 프로토콜을 활용해 여러 무선 디바이스간 무선 통신이 가능하다. 특정 무선 통신 인터페이스를 구비한 디바이스는 동일한 무선 통신 인터페이스를 구비한 다른 디바이스와 표준화되는 통신 프로토콜에 따라 데이터 통신이 가능하다. 예를 들어 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), 와이파이(WiFi), RF(Radio Frequency) 통신 등이 표준화에 따라 정의된다.

 

▲ 고유 어드레스에 의한 블루투스 통신을 지원하는 응용기기 특허 도면     © 특허뉴스

 

일반적으로 이러한 표준화되는 통신 프로토콜은 OSI(Open System Interconnection) 7 레이어(Layer) 중 물리(Physical) 레이어와 데이터 링크(Data-Link) 레이어를 표준화해 데이터 통신이 가능하도록 한다.

 

특정 통신 프로토콜을 구현한 각 디바이스는 동일한 통신 프로토콜을 구현한 다른 디바이스와 데이터 링크 레이어상에서 데이터를 송수신하고 처리하도록 구성된다. 예를 들어 블루투스, 지그비, RF 통신 등은 표준화된 상위 레이어(예를 들어 네트워크 레이어나 전송 레이어) 등을 정의하지 않고 데이터 송수신이 이루어진다. 블루투스, 지그비, RF 통신 등은 개인 영역 또는 근거리 영역 내에서의 데이터 통신에 국한되고 디바이스가 데이터 링크 레이어상의 데이터를 직접 처리하도록 구성된다.

 

한편 통신 기술의 발전은 더 많은 디바이스 간의 연결을 가능하도록 한다. 예를 들어 센서나 센서를 포함하는 디바이스가 인터넷에 연결될 수 있도록 하는 사물 통신(Internet of Things)이 알려져 있다. 사물 통신은 좀 더 광대역의 데이터 통신이 가능하도록 네트워크 레이어(예를 들어 IP(Internet Protocol) 통신 프로토콜) 기반으로 통신이 이루어진다. 특정 무선 통신 프로토콜은 사물 통신을 지원할 수 있도록 새로 정의된 통신 프로토콜(예를 들어 6LowPAN)로 구성되기도 한다.

 

Intel이 업계 처음으로 출시한 10기가비트 이더넷 Intel PRO/10GbE LR Server Adapter 제품은 이더넷 서버 어댑터로 분류 할 수 있다. 이 제품의 오프로딩 기술은 기가비트 이더넷 컨트롤러에 내장된 TCP/IP분할과 송수신단의 TCP Checksum과 동일하다. 16KBJumbo Frames을 지원하며, 광 모듈과 Intel 82597EX 코어칩으로 구성되어 있다. 광 모듈은 IEEE 802.3ae 10GBASE LR에 호환되며 Intel 82597EX 코어칩에는 4채널 XAUI 인터페이스와 10GMAC, PCI-X 호스트 인터페이스가 내장되어 있다.

 

한국전자통신연구원이 출원한 멀티코어 시스템온칩을 이용한 와이파이와 소형셀 통합 지원 기지국 장치 및 그 방법특허는 댁내, 공중전화부스, 가로등, 전신주 등 옥내나 옥외의 동일 지점에 와이파이 기지국과 소형셀 기지국 기능을 통합해 처리하는 멀티코어 시스템온칩(SoC)을 이용한 통합 기지국을 구현한다. 기지국 기능을 분담처리가 가능하게 함으로써, 면허대역을 사용하는 소형셀 기지국과 비면허 대역을 사용하는 와이파이 기지국의 협력기반 운영이 가능하다. 또 사용자 선택에 기반한 겸용 운영으로, 데이터 전송 속도 및 혼간섭 허용 정도에 따라 이동통신서비스의 품질에 차등을 두어 효과적인 시스템 운영을 지원한다.

 

삼성전자가 등록한 비메모리형으로 프로그램되는 기기 고유 어드레스에 의한 블루투스 통신을 지원하는 응용기기, 및 응용기기의 통신방법특허는 비메모리형 프로그래머블 어드레스 저장 장치를 구비해 NVM 또는 다른 메모리가 없는 경우에도 전기적 퓨즈 방식에 의해 응용기기 고유 어드레스를 프로그램 할 수 있다.

 

따라서 블루투스 통신을 지원하고 기기 고유 어드레스를 기기 내부에 저장해야 하는 휴대용 오디오 기기(MP3 )나 비디오 기기(디지털 스틸 카메라 등) 등과 같은 휴대용 응용 기기들, 또는 IEEE 통신이나 이동 통신 등에 사용되는 송수신 장치에서, NVM 또는 다른 메모리 없이 기기 고유 어드레스를 저장할 수 있다. 또한 이러한 기기 고유 어드레스는 어플리케이션 설계자가 프로그램하는 것에 의해 자유롭게 부여될 수 있는 것이 특징이다.

 

▲ 시스템 반도체 주요제품 분류표(중소기업 기술로드맵)     © 특허뉴스

 

차세대 시스템 반도체 시장

 

시스템 반도체는 전기전자 시스템의 신호·정보·에너지 프로세싱(연산/제어/전송/변환 등)기능을 단일 칩에 통합해 경제성, 편의성, 생산성을 극대화하는 다기능 융·복합 반도체로 진화 발전하고 있다. 또한, 하드웨어 집적과 더불어 소프트웨어와의 밀접한 결합을 통해 시스템의 핵심 경쟁력과 차별화를 좌우하는 요소로 작용하고 있다.

 

시스템 반도체는 IT 기기의 똑똑하고 유연한 작동을 위해 프로세서와 소프트웨어를 내장하는 방향으로 진화했으며, 정보의 전달과 저장을 위해 유무선 통신 기능과 대용량 메모리를 내장했고, 인간과의 편리한 소통을 위해 터치 디스플레이 구동 기능과 음성 및 모션 인식 기능을 포함하는 등 스마트 및 융복합 기술과 시장의 요구에 따라 끊임없이 통합 SoC(System on a Chip)로 발전하고 있다. 더해 제품 개발에서부터 시장 출시까지 수개월의 짧은 기간 동안 완벽한 품질과 성능으로 출시될 것을 요구받고 있으며, 이러한 시장과 소비자의 요구에 부응하지 않는 제품은 외면 받는 것이 현실이다.

 

▲ 시스템온칩을 이용한 와이파이와 소형셀 통합 지원 특허 도면     © 특허뉴스

 

반도체는 형태에 따라 Discrete소자와 집적회로로 나뉘며, IC는 다시 메모리반도체와 시스템 반도체로 분류하는데 시스템 반도체는 장치 종류에 따라 크게 아날로그 IC. 마이크로 컴포넌트 IC. 로직 IC로 구분된다. 중장기적으로 상당수의 비메모리 반도체들이 시스템온칩화할 것으로 예상되어 시스템 반도체 기술은 적용 범위를 계속 넓혀가는 상황이다.

 

특히 컴퓨터, 모바일기기, 가전, 자동차, 산업용 전장기기, 스토리지, 방송통신, 에너지, 의료, 환경 등에서 연산, 제어, 전송, 변환 기능을 수행한다. 시스템 반도체는 연산과 멀티미디어 기능 등 핵심 기능을 담당해 전자제품은 물론 자동차, 중공업 등의 전자적 제어 기능에도 활용되며, 인텔의 중앙처리장치(CPU), 시스템온칩(SoC) 등이 대표적인 시스템 반도체로 분류된다.

 

시스템 반도체 산업에서는 팹리스와 파운드리 기업의 역할이 매우 중요이다. 수요자의 요구 및 제품이 매우 다양하기 때문에 설계전문 업체의 역할이 중요하며, 이들 업체들은 파운드리를 통해 제품을 위탁 생산하고 있다. 시스템 반도체 산업에서는 설계능력이 있는 기업들은 생산 설비에 대한 투자 없이도 시장 주도권을 확보 가능하다.

 

시스템 반도체는 범용제품인 메모리반도체와 달리 완성Set 제품 특징에 맞춰 설계되며, 수요자인 완성Set업체의 판매량에 연동에 따른 산업 경쟁력 확보 가능하다. 시스템 반도체는 메모리반도체보다 시장 규모는 4배 이상 크며 와이파이(WiFi), 모바일 애플리케이션 프로세서(AP) 등의 통신 칩과 CMOS 이미지센서(CIS)를 포함한 각종 센서류가 대표적이다. 정보를 읽고 쓰기만 하는 메모리와 달리 정보를 활용해 기능을 구현하기 때문에 대부분의 전자기기에 필수 탑재되는 추세이다.

 

시스템 반도체 분야 주요품목의 세계 시장규모는 20122,38834백만 달러, 20173,55474백만 달러로 연평균 성장률은 8.28%로 조사됐다. 시스템 반도체 세계시장 성장률은 통신방송 SoC(13.66%), 스토리지 SoC(11.55%), 전력에너지 반도체(8.85%), 자동차 SoC(6.27%), 고주파 반도체(6.00%), 프로세서 반도체(2.07%) 순으로 성장하고 있다.

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